膜分離操作與控制概要.ppt

項(xiàng)目五膜分離及設(shè)備操作 邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 職業(yè)教育環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫 化工單元操作 課程 學(xué)習(xí)任務(wù) 任務(wù)一 典型的膜分離過程 任務(wù)二 膜分離設(shè)備 膜組件 任務(wù)三 膜分離操作與控制 學(xué)習(xí)目標(biāo) 膜分離設(shè)備操作 任務(wù)描述 膜是具有選擇性分離功能的材料 利用膜的選擇性分離實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分離 純化 濃縮的過程稱作膜分離 膜分離是一門分離新技術(shù) 膜分離技術(shù)有高效 節(jié)能 環(huán)保 分子級過濾及過濾過程簡單 易于控制等特征 因此 已廣泛應(yīng)用于食品 醫(yī)藥 生物 環(huán)保 化工 冶金 能源 石油 水處理 電子 仿生等領(lǐng)域 產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一 本項(xiàng)目要求學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí) 對膜分離操作的原理 設(shè)備結(jié)構(gòu)有一個(gè)正確的認(rèn)知 同時(shí)能夠熟練操作運(yùn)行控制膜分離設(shè)備 并對設(shè)備進(jìn)行簡單的維護(hù) 膜分離設(shè)備操作 任務(wù)三 膜分離設(shè)備的操作與控制 一 膜的使用 二 膜的劣化 三 膜污染 四 膜的清洗 五 影響膜過濾的各種因素 一 膜的使用 一 膜性能評價(jià)1 透過速率 通量 物化穩(wěn)定性 壽命 分離透過特性 2 分離效率 截留率膜對溶質(zhì)的截留能力以截留率R rejection 來表示 其定義為R 1 Cp Cb式中Cp和Cb分別表示在某一瞬間 透過液 Permeate 和截留液的濃度 如R 1 則Cp 0 表示溶質(zhì)全部被截留 如R 0 則Cp Cb 表示溶質(zhì)能自由透過膜 3 截留分子量 截?cái)喾肿恿?molecularweightcut off MWCO 相當(dāng)于一定截留率 通常為90 或95 的分子量 由截?cái)喾肿恿堪纯晒烙?jì)孔道大小 截?cái)嗲€ 截留率與分子量之間的關(guān)系稱為截?cái)嗲€ 質(zhì)量好的膜應(yīng)有陡直的截?cái)嗲€ 可使不同分子量的溶質(zhì)分離完全 反之 斜坦的截?cái)嗲€會(huì)導(dǎo)致分離不完全 分子形狀 線狀分子易透過 線 球 吸附作用 溶質(zhì)吸附于膜孔壁上 降低膜孔有效直徑濃差極化作用 高分子溶質(zhì)在膜面沉積 使膜阻力 較小分子溶質(zhì)的截留率 分離性能 溫度 濃度 T C 使 因?yàn)槟の阶饔?錯(cuò)流速度 因?yàn)闈獠顦O化作用 pH 離子強(qiáng)度影響蛋白質(zhì)分子構(gòu)型 影響 影響截留率的因素 分離因子 分離因子越大 膜的選擇性越高 4 濃差極化 膜分離過程中的一種普遍現(xiàn)象 會(huì)降低透水率 是一個(gè)可逆過程 濃差極化是指在過濾過程中 由于水透過膜而使膜表面的溶質(zhì)濃度增加 在濃度梯度作用下 溶質(zhì)與水以相反方向向本體溶液擴(kuò)散 在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí) 膜表面形成一溶質(zhì)濃度分布邊界層 它對水的透過起著阻礙作用 二 膜的劣化 指膜自身發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化等內(nèi)部因素導(dǎo)致膜性能的變化 化學(xué)劣化生物劣化物理劣化 滲透通量增大 截留率降低 滲透通量降低 截留率增大 三 膜污染 膜使用中最大的問題是膜污染 膜污染是指處理物料中的微粒 膠體或溶質(zhì)大分子與膜存在物理化學(xué)作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附 沉積造成膜孔徑變小或堵塞 使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象 膜污染的表現(xiàn)一是膜通量下降 二是通過膜的壓力和膜兩側(cè)的壓差逐漸增大 三是膜對生物分子的截留性能改變 膜污染與濃差極化在概念上不同 濃差極化加重了污染 但濃差極化是可逆的 即變更操作條件可使之消除 而污染是不可逆的 必須通過清洗的辦法 才能消除 膜的污染大體可分為沉淀污染 吸附污染 生物污染1沉淀污染沉淀污染對RO和NF的影響尤為顯著 當(dāng)過濾液中鹽的濃度超過了其溶解度 就會(huì)在膜上形成沉淀或結(jié)垢 普遍受人們關(guān)注的污染物是鈣 鎂 鐵和其它金屬的沉淀物 如氫氧化物 碳酸鹽和硫酸鹽等 2吸附污染有機(jī)物在膜表面的吸附 通常是影響膜性能的主要因素 隨時(shí)間的延長 污染物在膜孔內(nèi)的吸附或累積會(huì)導(dǎo)致孔徑減少和膜阻增大 這是難以恢復(fù)的 與膜污染相關(guān)的有機(jī)物特征包括它們對膜的親和性 分子量 功能團(tuán)和構(gòu)型 一般來講膜的親水性越強(qiáng)有機(jī)物越不宜吸附 而疏水作用可增加其在膜上的積累 導(dǎo)致嚴(yán)重的吸附污染 膜的污染 fouling 是指微生物在膜內(nèi)積累 從而影響系統(tǒng)性能的現(xiàn)象 膜組件內(nèi)部潮濕陰暗 是一個(gè)微生物生長的理想環(huán)境 微生物粘附和生長形成生物膜 老化生物膜主要分解成蛋白質(zhì) 核酸 多糖酯等 強(qiáng)烈吸附在膜面上引起膜表面改性 微生物可直接 通過酶作用 或間接 通過局部pH或還原電勢作用 降解膜材料 造成膜壽命縮短 膜結(jié)構(gòu)完整性被破壞 細(xì)菌對不同聚合物粘附速率大不相同 如聚酰胺膜比醋酸纖維素膜更易受細(xì)菌污染 所以 生物親和性降低和易清洗的聚合物為材質(zhì)的分離膜 會(huì)阻礙生物膜的生長 3生物污染 防止膜污染的方法 可以通過控制膜污染影響因素 減少膜污染的危害 延長膜的有效操作時(shí)間 減少清洗頻率 提高生產(chǎn)能力和效率 因此在用微濾 超濾分離 濃縮細(xì)胞 菌體或大分子產(chǎn)物時(shí) 必須注意以下幾點(diǎn) 進(jìn)料液的預(yù)處理 預(yù)過濾 pH及金屬離子控制 選擇合適的膜材料 減輕膜的吸附 改善操作條件 加大流速 四 膜的清洗 膜元件的清洗包括水力沖洗與化學(xué)清洗兩大分支 每一分支又可分為正洗與反洗兩種工藝 超濾膜清洗過程中還可采用加壓氣洗 全量運(yùn)行方式下超濾系統(tǒng)的頻繁正反沖洗是不可或缺的 而復(fù)合反滲透膜系統(tǒng)則不允許反沖洗 水力沖洗 是停止系統(tǒng)的產(chǎn)水過程 以較低壓力與較大流量對膜表面 正洗 及膜孔 反洗 形成高速徑流 以消除濃差極化 破壞尚未牢固的各類垢層 膜的三大類污染及濃差極化現(xiàn)象均存在一個(gè)累積過程 膜系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中 定時(shí)執(zhí)行水力沖洗工藝 對于減弱與緩解膜污染起著重要的作用 對預(yù)處理工藝相對薄弱的中小型系統(tǒng) 水力沖洗的效果尤為明顯 沖洗工藝中 正沖的工藝簡單 沖洗效果較差 反沖的工藝復(fù)雜 沖洗效果較好 正沖洗時(shí)流量是主要參數(shù) 而反沖洗時(shí)壓力是主要參數(shù) 水力正沖用水即是系統(tǒng)給水水源 而反沖用水只能是系統(tǒng)產(chǎn)水 錯(cuò)流方式下的沖洗水可以回用 而全量方式下的沖洗水一般排放 沖洗的時(shí)間與沖洗效果直接影響著系統(tǒng)的工作效率 而決定沖洗頻率的主要是系統(tǒng)給水水質(zhì) 系統(tǒng)運(yùn)行方式及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等因素 膜的化學(xué)清洗 當(dāng)水力沖洗工藝不足以恢復(fù)膜系統(tǒng)性能時(shí) 采用化學(xué)藥劑的清洗工藝則成為必要手段 一般而言 清除有機(jī)物用堿 清除無機(jī)物用酸 而清除微生物用氧化劑 多采取各種藥液輪流清洗的方式 化學(xué)清洗的徑流形式與水力沖洗基本一致 但清洗液流量的作用趨弱 而藥劑成分 藥液濃度 洗液溫度 清洗時(shí)間 浸泡時(shí)間甚至表面活性劑濃度等因素上升為主導(dǎo)地位 當(dāng)膜污染嚴(yán)重時(shí) 酸 堿及氧化劑的輪流反復(fù)清洗也成為有效手段 化學(xué)清洗與水力沖洗的根本區(qū)別 一是化學(xué)藥劑的使用 二是清洗對象的明確 在對陌生系統(tǒng)清洗前 一般需要進(jìn)行給水水質(zhì)檢驗(yàn) 有時(shí)需要打開膜容器檢查元件表面殘留的污染物 必要時(shí)甚至解剖部分膜元件以化驗(yàn)?zāi)け韺游廴疚锍煞?有效的化學(xué)清洗問題建立在了解污染物化學(xué)成分基礎(chǔ)之上 化學(xué)清洗也分為在線清洗與離線清洗兩種方式 在線清洗的周期短 工藝簡單 但往往因設(shè)備環(huán)境的限制 清洗效果欠佳 將膜元件從膜容器或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中拆出 使用專用清洗設(shè)備離線清洗時(shí) 清洗周期長 工藝復(fù)雜 但?？扇〉幂^好的清洗效果 五 影響膜過濾的各種因素 壓力 濃度 溫度 流速 其它因素 壓力 在錯(cuò)流操作中 兩種壓力差 一種為通道兩端壓力差P P1 P2另一種為膜兩側(cè)平均壓力差P0 在OR中 當(dāng)壓力差增大時(shí) 通量和截留率都增加 在MF和NF中 通量和壓力的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域 沒有形成濃差極化層 Jv和 p成正比 形成濃差極化層 Jv和 p增加的速度減慢 c 形成凝膠層 Jv不隨 p變化 當(dāng)以微濾過濾菌體時(shí) 通量與濃度的關(guān)系不同于超濾 在谷氨酸發(fā)酵液的微濾中 開始通量下降很快 可能是由于膜面的污染 然后通量變化較小 可能由于管狀收縮效應(yīng)引起通量的增加和濃度增大引起的降低互相對消 最后通量急劇降低 在谷氨酸發(fā)酵液中的微濾中 黏度 濃度 菌體濃度 通量 雖然增大流速有明顯的優(yōu)點(diǎn) 但需考慮 只有當(dāng)通量為濃差極化控制時(shí) 增大流速才會(huì)使通量增加 增大流速會(huì)使膜兩側(cè)壓力差減小 因?yàn)榱鹘?jīng)通道的壓力降增大增大流速 使剪切力增加 對某些蛋白質(zhì)不利 動(dòng)力消耗增加 流速 溫度 在超濾或微濾中 一般說來 溫度升高都會(huì)導(dǎo)致通量增大 因?yàn)闇囟壬呤拐扯冉档秃蛿U(kuò)散系數(shù)增大 所以操作溫度的選擇原則是 在不影響料液和膜的穩(wěn)定性范圍內(nèi) 盡量選擇較高的溫度 由于水的粘度每升高1 約降低2 5 所以 一般可認(rèn)為 每升高1 通量約增加3 其它因素 在反滲透中特別要注意不要使溶解度小的溶質(zhì)析出和不要含膠體粒子 以免膜堵塞 在超濾中 通常當(dāng)pH在蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí) 通量最低 當(dāng)有鹽類存在時(shí) 一般使通量降低 當(dāng)料液中含 0 1 m的微細(xì)粒子時(shí) 會(huì)使通量降低 最好用預(yù)過濾除去 如果含 1 m的堅(jiān)硬粒子 通常會(huì)使通量增大 pH有時(shí)也會(huì)對截留率有影響 例如在極端pH下超濾蛋白質(zhì)時(shí) 常使截留率增大 這是由于吸附在膜上蛋白質(zhì)和溶液中蛋白質(zhì)帶相同電荷而互相排斥的緣故 中空纖維超濾膜安裝使用 中空纖維超濾膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液和氣體物質(zhì)分離 濃縮和提純的分離技術(shù) 它利用具有選擇透過能力的薄膜做分離介質(zhì) 膜壁密布微孔 原液在一定壓力下通過膜的一側(cè) 溶劑及小分子溶質(zhì)透過膜壁為濾出液 而較大分子的溶質(zhì)被膜截留 從而達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的 中空纖維膜是分離膜的一種重要形式 在單位體積膜組件中 中空纖維膜的有效膜面積最大 過濾分離效率高 容易清洗 結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 膜不易被堵塞 可連續(xù)長期使用 過濾過程可在常溫 低壓下運(yùn)行 無相態(tài)變化 高效節(jié)能 膜組件的安裝 1裝置運(yùn)到現(xiàn)場后 應(yīng)置于室內(nèi)通風(fēng)干燥處 不得陽光直射 冬季應(yīng)有保溫裝置 保證室溫 5 夏季室溫不得高于40 裝置安裝地點(diǎn)也應(yīng)符合上述要求 2到達(dá)后 應(yīng)在一個(gè)月內(nèi)安裝完畢 并應(yīng)立即試運(yùn)轉(zhuǎn) 3裝置在試運(yùn)轉(zhuǎn)前處于封存狀態(tài) 不得任意拆卸管件和開啟閥門 以免流失保護(hù)液 致使膜組件損壞 4裝置安裝點(diǎn)附近應(yīng)有排水溝 便于清洗液排放 5裝置就位后 應(yīng)調(diào)整裝置支撐點(diǎn) 使組件基本處于平行位置 且與基礎(chǔ)接觸可靠 超濾裝置調(diào)試 1 對裝置的進(jìn)水進(jìn)行分析 測試 結(jié)果表明符合進(jìn)水要求 方可進(jìn)行裝置通水調(diào)試 2 檢查裝置所有管道之間連接是否完善 有否短缺 壓力表是否齊全 管道連接是否緊密 有否短缺 3 開機(jī)前低壓沖洗 檢查超濾進(jìn)水電動(dòng)閥 產(chǎn)水電動(dòng)閥 濃水排放電動(dòng)閥是否處于全開狀態(tài) 反洗電動(dòng)閥有否處于全閉狀態(tài) 全開裝置產(chǎn)水放盡閥 濃水放盡閥 排盡裝置中的保護(hù)液 緩緩開啟進(jìn)水閥 低壓沖洗一段時(shí)間 處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí) 低壓排放10秒后增壓泵啟動(dòng)運(yùn)行 啟動(dòng)增壓泵供水 沖洗整個(gè)系統(tǒng)5 10分鐘 待出水無甲醛 或其他保護(hù)液 氣味 低壓沖洗結(jié)束 每次超濾系統(tǒng)開機(jī)前 必須進(jìn)行低壓沖洗 4超濾裝置的調(diào)試均是手動(dòng)單步操作 運(yùn)行正常后 方可切換到自動(dòng)狀態(tài) 由在線儀表及PLC自動(dòng)控制運(yùn)行 開機(jī)運(yùn)行 1 關(guān)閉濃水放盡閥 調(diào)節(jié)兩個(gè)超濾濃水閥 控制濃水排放量和濃水循環(huán)量 2 當(dāng)排放的產(chǎn)水水質(zhì)合格后 關(guān)閉產(chǎn)水放盡閥 調(diào)節(jié)超濾產(chǎn)水閥 控制產(chǎn)水流量 整個(gè)系統(tǒng)回收率控制在80 90 左右 超濾系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn) 3 系統(tǒng)設(shè)置超濾自動(dòng)反